Soutenance mémoire
L’ozone et ses effets
Depuis une vingtaine d’années, on observe une réduction significative de la pollution atmosphérique par les polluants traditionnels grâce à un meilleur contrôle des sources industrielles et à une amélioration des procédés. Dans le même temps, on assiste à un changement de la nature des polluants avec une réduction de la pollution par les composés soufrés et les poussières et une augmentation des polluants photochimiques et des particules respirables (<10 µm) et fines (<2,5 µm) (Lajoie, 1998). La pollution photochimique qui en résulte désigne un mélange complexe de polluants formés chimiquement dans l’air, sous l’effet du rayonnement solaire, à partir de composés précurseurs émis par des sources naturelles et les activités humaines (oxydes d’azote, composés organiques volatils). Le principal polluant photochimique est l’ozone (O3), et la production de ce gaz s’accompagne d’autres espèces chimiques aux propriétés acides ou oxydantes telles que des aldéhydes, des composés organiques nitrés et l’acide nitrique. L’ozone est un gaz naturellement présent dans les hautes couches de l’atmosphère. Ilse concentre dans la stratosphère (entre 10 et 50 km d’altitude), où il forme une couche qui absorbe les rayonnements solaires les plus dangereux : les UV C et une partie des UV B, notamment responsables de brûlures et de cancers de la peau. Le rôle de filtre joué par la couche d’ozone a permis le développement de la vie sur Terre. Cependant, l’ozone constitue un polluant lorsqu’il est présent dans les basses couches de la troposphère (0 à 10 km). Cet ozone troposphérique est nocif pour la santé de l’Homme, des animaux et des végétaux. Chez les animaux et l’Homme, l’ozone est un gaz irritant pour les muqueuses et les voies respiratoires, il favorise l’apparition d’affections oculaires, de crises d’asthme et de maladies pulmonaires nécessitant une hospitalisation (DRASS, 2007, McConnell et al., 2002, Mudway and Kelly, 2004, Yang et al., 2003). L’ozone a également un effet néfaste sur la végétation en réduisant la photosynthèse induisant une baisse de la productivité des écosystèmes naturels et des rendements agricoles (Chen et al., 2009, Lovett et al., 2009). De plus, l’ozone contribue à l’accroissement de l’effet de serre en absorbant en partie la chaleur rayonnée par les sols (Garrec, 2000).
Episode de pollution à l’ozone
On parle d’épisode de pollution par l’ozone lorsqu’on observe une augmentation des concentrations en ozone sur un vaste secteur. La production d’ozone nécessitant la photolyse du dioxyde d’azote, les épisodes de pollution à l’ozone se déclenchent le plus fréquemment en été, en cours d’après-midi, lors des journées ensoleillées et peu ventées (faible brassage des masses d’air). En France, deux niveaux réglementaires sont définis par le décret n°2003-1085 du 12 novembre 2003 (transpos ant partiellement la directive européenne n°2003/3/CE du 12 février 2002) : le niv eau d’information et de recommandation (180 µg.m-3 sur une heure) et le niveau d’alerte (trois seuils : 240 µg.m-3, 300 µg.m-3, 360 µg.m-3). Le dépassement de ces seuils donne lieu au déclenchement de procédures préfectorales visant à réduire les émissions de précurseurs de l’ozone (limitation de vitesse, limitation du transit des poids lourds, interdiction de tous ou certains travaux de peinture, réduction des activités industrielles sources de COV). Les sources d’émission des précurseurs d’ozone sont variées. Plus de 85 % des émissions d’oxydes d’azote sont issus des activités anthropiques (Ehhalt et al., 1992), principalement les secteurs des transports, de l’industrie et de la production d’énergie. En revanche, à l’échelle globale et régionale, les émissions de COV proviennent en grande partie de sources naturelles, majoritairement de la végétation (Guenther et al., 1995). On distinguera les COVa, d’origine anthropique et les COVb d’origine biotique. Les concentrations d’ozone les plus importantes sont souvent observées à plusieurs dizaines de kilomètres des grandes sources d’émissions anthropiques. En effet, dans les centres villes, le monoxyde d’azote (NO) est présent en quantité et consomme l’ozone, les villes agissent donc comme des « puits d’ozone ». En revanche, en zone rurale, les concentrations d’oxyde d’azote sont plus faibles et les émissions de COVb sont importantes. L’ozone formé n’est donc pas détruit par le NO et on observe des pics de pollution à l’ozone. Par conséquent, la prise en compte des émissions de COVb est nécessaire pour la modélisation de la production d’ozone et la prévention des pics de pollution.
Variabilité des émissions de COVb
Les émissions de terpènes sont extrêmement variables, quantitativement et/ou qualitativement, au sein du monde végétal voire au sein d’un même genre. Certaines espèces n’émettent pas de terpènes tandis que d’autres émettent jusqu’à plus de 150 µg.gMS-1.h-1. Certaines espèces émettent de l’isoprène (e.g. Quercus pubescens Willd.), d’autres émettent des monoterpènes (e.g. Rosmarinus officinalis L.) ou d’autres encore émettent à la fois de l’isoprène et des monoterpènes (e.g. Erica multiflora L.) (Kesselmeier and Staudt, 1999). L’isoprène est émis directement après sa synthèse par la plante tandis que les monoterpènes sont généralement stockés dans des structures spécialisées avant d’être émis dans l’atmosphère. Cependant, chez certaines espèces comme le chêne vert (Quercus ilex L.), les monoterpènes se comportent comme l’isoprène et sont émis dès leur synthèse (Loreto et al., 1996). À court terme, les principaux paramètres qui influencent les émissions de terpènes sont la température et la lumière. Ainsi, chez les espèces qui ne stockent pas les terpènes, les émissions sont dépendantes de la synthèse. Elles dépendent donc du PAR (Photosynthetically Active Radiation) car la photosynthèse fournit l’énergie et les substrats carbonés nécessaires à la synthèse de terpènes ; les émissions dépendent également de la température qui régule l’activité des terpènes synthases. Tandis que chez les espèces qui stockent les terpènes, l’émission est considérée comme une volatilisation des composés hors des organes de stockage. Les émissions présentent donc une réponse exponentielle à la température (Kesselmeier and Staudt, 1999). Si les effets de la lumière et de la température sur les émissions de terpènes sont les mieux connus, d’autres facteurs biotiques ou abiotiques peuvent influencer les émissions de terpènes par la végétation à plus ou moins long terme. Les émissions peuvent être influencées par les variations phénologiques et physiologiques que subit la plante au cours de l’année (Penuelas and Llusia, 1999), le stress hydrique (Lavoir et al., 2009), le type de substrat (OrmeñoFernandezBousquet-Mélou et al., 2007), l’attaque par des herbivores (Arimura et al., 2009)… Les émissions de COVb par la végétation étant dépendantes de la température et de la lumière, elles seront maximales pendant les périodes chaudes et très ensoleillées. Ceci concorde avec les conditions météorologiques les plus favorables pour la formation d’ozone. L’impact des émissions de COVb sur la production d’ozone en est donc renforcé. Actuellement, les algorithmes utilisés pour simuler les émissions de COVb ne font intervenir que la température (Tingey et al., 1980) ou la température et la lumière (Guenther et al., 1995). Ils permettent de déterminer le taux d’émission dans des conditions standard (Température : 30°C ; PAR : 1000 µmol.s -1.m-2) appelé taux d’émission standard ou facteur d’émission. Le manque de données sur l’influence des autres facteurs sur les émissions rend leur prise en compte difficile.
Surfaces occupées et distribution spatiale
Dans le bassin méditerranéen, les matorrals couvrent d’importantes superficies (approximativement 250 000 km²) et représentent plus d’un tiers de la végétation méditerranéenne (Di Castri et al. 1981). D’après la carte d’occupation du sol réalisée par le centre régional d’information géographique de la région Provence-Alpes-Côte d’Azur (CRIGE PACA, cartographie pour l’année de référence 2006), les matorrals occupent près de 1600 km² dans les Bouches-duRhône et le Var. Ainsi, ils représentent 14 % de notre zone d’étude, ce qui en fait le deuxième type d’occupation du sol après les zones agricoles (24 %). Les formations arbustives apparaissent être très développées à proximité des agglomérations et des zones industrielles. Ainsi, on observe de très importantes surfaces de matorrals autour de Marseille et du pôle industriel de l’étang de Berre dans les Bouches-duRhône et à proximité de Ste Maxime et Fréjus-St Raphaël dans le Var (figure 5). Cette proximité spatiale des matorrals et des infrastructures anthropiques est due à la répartition spatiale des incendies, qui résultent en majorité des activités humaines et en particulier des réseaux de transport et des habitations. Etant donné la présence d’importantes surfaces de matorrals à proximité des grandes sources d’émissions anthropiques de précurseurs de l’ozone, ces formations mal prises en compte jouent potentiellement un rôle très important dans la formation d’ozone troposphérique et le déclenchement d’épisodes de pollution. Cette hypothèse est rendue probable par la forte capacité d’émission des formations arbustives méditerranéennes en COVb (Llusia et al., 2002). Elles représentent la deuxième source d’émission de COVb dans le sud-est de la France après les forêts (Simon et al., 2006), mais restent qualitativement et quantitativement mal prises en compte dans le modèle CHIMERE.
Classification de l’image ASTER associée à des données auxiliaires
La classification de l’image ASTER (bandes 1, 2, 3, 4 et 7) associée au temps écoulé depuis le dernier incendie et à la pente permet d’obtenir une très bonne précision de classification. La précision globale obtenue est meilleure par arbre de classification (K = 0,928) qu’avec l’algorithme maximum de vraisemblance (K = 0,861). Comme par classification de l’image ASTER, les grands types d’occupation du sol sont très bien classés quelle que soit la méthode de classification utilisée (coefficients kappa de production et de l’utilisateur supérieurs à 80 %, figure 32). Cependant, si la classification maximum de vraisemblance permet une bonne identification des garrigues à chêne kermès (1) et à ciste blanc (2) (coefficients kappa supérieurs à 60 %), elle ne permet pas de cartographier les autres types de garrigues. En effet, les garrigues à chêne kermès et romarin (4) et à chêne kermès et ciste blanc (5) sont bien retrouvées (kappa de production supérieur à 60 %), mais plus de la moitié des pixels attribués à ces deux classes le sont à tort (kappa de l’utilisateur inférieur à 50 %). La garrigue à chêne kermès et ajonc (3) est très mal reconnue (kappa de production inférieur à 30 %) et environ la moitié des pixels attribués à cette classe le sont à tort (kappa de l’utilisateur 46 %). Ces trois types de garrigue (3, 4 et 5) sont confondus entre eux et avec la garrigue à chêne kermès (1). La garrigue à chêne kermès et romarin (4) est également confondue avec les forêts de conifère (7)
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Table des matières
INTRODUCTION
1. POLLUTION À L’OZONE
1.1. L’ozone et ses effets
1.2. Formation de l’ozone
1.3. Episode de pollution à l’ozone
2. LES COMPOSÉS ORGANIQUES VOLATILS
2.1. Les sources d’émission de composés organiques volatils
2.2. Les composés organiques volatils biogènes
2.3. Variabilité des émissions de COVb
2.4. Prise en compte dans les modèles de prévision d’ozone
3. LA RÉGION MÉDITERRANÉENNE
3.1. Les formations arbustives méditerranéennes
3.2. Surfaces occupées et distribution spatiale
4. OBJECTIF
CHAPITRE 1 : PRÉSENTATION DE LA ZONE D’ÉTUDE
1. OCCUPATION DU SOL
2. CLIMAT
3. RELIEF
4. PÉDO-GÉOLOGIE
CHAPITRE 2 : CARACTÉRISATION ET CARTOGRAPHIE DES FORMATIONS ARBUSTIVES
INTRODUCTION
1. ZONE D’ÉTUDE
2. CARACTÉRISATION DES FORMATIONS ARBUSTIVES
2.1. Méthode de description de la végétation
2.2. Mise au point de la typologie
2.3. Analyses statistiques
3. PRÉTRAITEMENT DES IMAGES SATELLITES
4. CARACTÉRISATION ET CARTOGRAPHIE DES FORMATIONS ARBUSTIVES DU VAR
4.1. Typologie
4.1.1. Les différentes formations arbustives du Var
4.1.2. Différences entre classes
4.2. Cartographie
4.2.1. Données d’entraînement
4.2.2. Signatures spectrales
4.2.3. Précision de la cartographie
5. CARACTÉRISATION ET CARTOGRAPHIE DES FORMATIONS ARBUSTIVES DES BOUCHES-DURHÔNE
5.1. Typologie
5.1.1. Les différentes formations arbustives des Bouches-du-Rhône
5.1.2. Différences entre classes
5.2. Cartographie
5.2.1. Données d’entraînement et signature spectrale
5.2.2. Classification de l’image ASTER
5.2.3. Classification de l’image ASTER associée à des données auxiliaires
6. DISCUSSION
7. CONCLUSION
CHAPITRE 3 : ESTIMATION ET CARTOGRAPHIE DE LA BIOMASSE FOLIAIRE DES ESPÈCES ARBUSTIVES MÉDITERRANÉENNES
INTRODUCTION
1. CONSTITUTION D’ABAQUES POUR L’ESTIMATION DE LA BIOMASSE
1.1. Méthode
1.1.1. Points de contact
1.1.2. Abaques morphométriques
1.2. Résultats
1.2.1. Abaques par points de contact
1.2.2. Abaques morphométriques
2. ESTIMATION DE LA BIOMASSE FOLIAIRE ET DE SA VARIABILITÉ
2.1. Méthode de relevés
2.2. Biomasse foliaire des principales espèces arbustives
3. CARTOGRAPHIE DES BIOMASSES
3.1. Modèles prédictifs de biomasse
3.1.1. Couches d’information utilisées
3.1.2. Méthode
3.1.3. Modèles établis par régression linéaire multiple
3.1.4. Validation des modèles
3.2. Biomasse par type de formation
3.2.1. Méthode
3.2.2. Résultats
3.2.3. Validation
4. DISCUSSION
CHAPITRE 4 : CONTRÔLE ENVIRONNEMENTAL DES ÉMISSIONS DE TERPENES DU CISTE DE MONTPELLIER DANS LES FORMATIONS ARBUSTIVES MÉDITERRANÉENNES
INTRODUCTION
1. MATERIAL AND METHODS
1.1. Study area and species
1.2. Experimental protocol
1.3. Terpene emissions
1.3.1. Terpene sampling
1.3.2. Terpene analysis
1.4. Terpene content
1.5. Soil analyses
1.6. Data treatment
2. RESULTS
2.1. Terpene content and emissions
2.2. Seasonal variability
2.3. Age and soil effects
3. DISCUSSION
4. CONCLUSION
CHAPITRE 5 : INTÉGRATION DE LA VARIABILITÉ DES FORMATIONS ARBUSTIVES POUR LA MODÉLISATION DES ÉMISSIONS DE COVB ET LA PRÉVISION DE LA POLLUTION À L’OZONE EN RÉGION PACA
INTRODUCTION
1. METHODOLOGY
1.1. Study area
1.2. Model description: CHIMERE
1.3. Simulation of biogenic emissions
1.3.1 Original configuration S1
1.3.2 Improved configurations S2 and S3
1.4. Analyses
2. RESULTS
2.1. Emission potential
2.2. Emission fluxes
2.3. Ozone production
3. DISCUSSION
DISCUSSION ET CONCLUSIONS GÉNÉRALES
BIBLIOGRAPHIE
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